Помнится, как в своё время (давным-давно), был в школе у нас интересный урок по физике, где объясняли принципы работы электродвигателей, где нас с благоговейным трепетом запугивали: «если вы не знаете «правило буравчика» — то не видать вам постройки своего двигателя!» :-) 

Прошли годы, и мне стало интересно, а можно ли создать электродвигатель, к которому это правило имеет весьма отдалённое отношение?

Как оказалось — вполне себе можно и такие двигатели есть, вернее, были! Итак… 

Дело было вечером делать было нечего еще в XIX веке, и жил во Франции один инженер, которого звали Поль-Густав Фроман (Paul-Gustave Froment):

Который после окончания учёбы хотел заняться «самым верным делом» того времени — разработкой и производством паровых машин — впрочем, судьба распорядилась по-другому (да и денег, к тому же у него не было) — вместо этого, он стал со временем, известным производителем научных приборов и преуспел в этом: физические, астрономические, математические устройства его работы — сделали имя этому инженеру и позволили поработать со многими научными светилами того времени (например, Л.Фуко, Г.Гельмгольцем). 

В дальнейшем, его умение работать с материалами и создавать точные мелкие механизмы, поможет ему в создании особого устройства — электрического двигателя интересной конструкции.

Забегая вперед: его конструкция оказалась весьма удачной, что предопределило её будущее успешное тиражирование, и наш герой был награждён за свою работу премией Вольта, которая присуждалась за неординарные разработки в области электричества.

Вообще, надо отметить, что изобретатель поддался влиянию эпохи, и идеям, бередившим умы того времени: открытия и разработки в области электричества следовали одно за другим, и это время некоторые даже называют «временем электромагнитной лихорадки»:

• открытие э��ектромагнитного поля у проводника с током (Эрстед);

• открытие возникновения тока в проводнике, под влиянием магнитного поля (Фарадей);

• изучение и обоснование причин поля у проводников с током и создание соленоида (Ампер);

• разработка мощного, силового соленоида (Генри и Стерджен).

Говоря о разработке, двигатель Фромана не был чем-то абсолютно новым (то есть, не был первым в истории электродвигателем) — до него уже пытались делать свои версии, например, Уильям Стерджен (William Sturgeon, 1783-1850) — которого как раз и называют разработчиком первого в мире практически применимого электродвигателя (1832): он представлял собой 2 подковообразных сердечника, с катушками на каждом, где один был закреплен неподвижно, а второй был установлен на ось.

Причём, что особенно интересно: в этом двигателе впервые был применён «коллектор» — специальный переключатель полярности питания, установленный на валу, и позволявший попеременно притягивать концы подков друг к другу и отталкиваться, после притяжения! 

Остроумно и просто:

Как работает этот двигатель, можно посмотреть здесь (см. с 2:38):

В дальнейшем эти идеи были подхвачены и развиты американцем Томасом Девенпортом (1810-1862), который, совместно со своей женой, разработал электродвигатель (1834), содержавший все существенные элементы предыдущего (в том числе, коллектор, и, кроме того, обладавший более высоким крутящим моментом, из-за применения шестерённого редуктора, но не только — это была первая попытка применить на практике двигатель нового типа.

В его конструкции по кругу располагались электромагниты (обычно 4 штуки), а на вращающемся валу устанавливались они же, только крестообразно и намагничивались таким образом, чтобы попеременно притягивались одни лучи крестовины, а затем другие, также был применён и реверс питания электромагнитов (насколько удалось понять). 

Из-за своей профессии (кузнец), Девенпорт не был «оторванным от жизни учёным» и сразу смекнул, что нужно собирать такую конструкцию, которая будет иметь большую мощность, чтобы она могла приводить в движение различные устройства:

Собственно говоря, он оказался абсолютно прав и смог использовать в дальнейшем электродвигатель своей конструкции, чтобы приводить в движение печатный станок, на котором даже стал выпускать свою газету!

Ознакомившись со всем этим, и осознавая тот факт, что Фроман вовсе не был первооткрывателем, становится совершенно непонятно, а что же он такого изобрёл, что заслужил наивысших наград?! :-)

Но, для начала, всё же, посмотрим, наконец, а что же представляла собой конструкция электродвигателя, в версии Фромана, для чего взглянем на следующие картинки:

И сразу же, если мы начнём приглядываться к первой картинке, то мы увидим одно из основных отличий от предыдущих двигателей: на валу отсутствуют электромагниты! 

Вместо этого, электромагниты есть только на раме, то есть, они установлены только стационарно (и это не случайно, ниже ещё будет пояснение, почему). 

Вместо них, на валу закреплены только бруски железа, на довольно большом колесе.

Кстати, забавный факт: именно из-за внешнего вида этого большого колеса, схожего по виду, с водяными приводными колёсами мельниц, а также из-за маленького размера двигателя (и его колеса, соответственно), — двигатель получил прозвище «Mouse mill» («Мышиная мельница»). :-D

Также, на схеме мы видим, что расположение брусков на колесе и положение стационарных магнитов подобрано таким образом, чтобы происходило поочерёдное притяжение брусков железа на колесе, — это сделано с целью обеспечить равномерное движение. 

Ещё из интересного: в отличие от предыдущих моделей двигателей, здесь нет реверса питания соленоидов, поэтому нет и отталкивания: есть только притяжение бруска железа к определённому соленоиду, где, в определённый момент, просто происходит отключение питания соленоида; таким образом, когда брусок «пролетает» мимо соленоида, тот уже отключен — этим достигается отсутствие залипания бруска напротив.

Но, тут сразу возникают вопрос: а не лучше ли было оставить реверс, ведь «притяжение/отталкивание» — видится гораздо более эффективным, чем одно только отталкивание! 

И, на первый взгляд, получается, что он снизил эффективность, а его за это ещё и наградили! :-D 

Но, не спешите делать выводы — для этого есть веский резон и об этом ниже…

Ну и, наконец, логически, мы пришли к самому вкусному: в рамках своего двигателя он решил одну из существенных на тот момент инженерных проблем, не решённых в предыдущих конструкциях — искрение, износ щёток и ненадёжный контакт, из-за потребности в постоянной коммутации больших токов! 

Догадались? ;-) Большие токи…Как коммутировать большие токи?

Реле! Вот в чём ответ!

Он придумал, что можно использовать тот же самый принцип, для замыкания и размыкания цепи с большим током, причём, как можно видеть на картинке ниже, для срабатывания соленоида реле, достаточно совсем малого тока (относительно коммутируемого):

То есть, его решение гениально упростило конструкцию: с вала пропали электромагниты, и, соответственно, необходимость подавать большие токи, изнашивая коллектор и щётки, а вместо этого, как можно увидеть на картинке выше, была установлена совсем маленькая шестерёнка — замыкатель/размыкатель сильноточной цепи! 

У многих сразу возникнет вопрос: ну и где здесь реле?

А вот где: он использовал обычные контакты (то есть выключатель/включатель, по сути), которые замыкались/размыкались небольшой, маленькой шестерёнкой.  

Таким образом, получалось своего рода механическое реле, в котором, тем не менее, сохраняется его основной принцип: «нечто слабое (шестерёнка), управляет чем-то сильным» (линией питания с большим током)! 

Конечно, с современной точки зрения, такое решение не является, наверное, самым оптимальным, да и обгорание контактов, наверняка, всё равно присутствовало (исторических фактов не нашёл, но, логически, вполне можно предположить) … 

Однако, нужно делать скидку на то, в какие годы это всё делалось и тогда, это был существенный прорыв и шаг вперёд… 

Несмотря на некоторый интерес, который вызывает двигатель Фромана (в познавательных целях), его можно назвать тупиковой ветвью развития двигателей, из-за весьма низкого КПД, который точно неизвестен, однако, по некоторым предположениям, не превышает 15% — причина такого низкого показателя заключается в неэффективной трате электроэнергии, которая, большей частью, уходит на искрение контактов, и нагрев катушек. 

С исторической точки зрения, двигатель прожил не так уж долго — всего около 20 лет, примерно, с 1840-х по 1860-е годы, после чего, был вытеснен на обочину истории более совершенными конструкциями, такими как «машина Грамма» — мотор/генератор нового (на тот момент) типа.

Однако! Было бы ошибкой сказать, что двигатель Фромана просто ушёл в небытие, не оставив потомков! :-)

И, таким потомком стал вентильный реактивный электродвигатель (Switched Reluctance Motor (SRM)), где вращающееся магнитное поле тянет за собой ротор, притягивая его зубцы к зубцам статора, а питание подаётся на обмотки статора:

Двигатель хорош своей простотой, надёжностью, и дешевизной (считается самым дешёвым, среди электродвигателей), так как не имеет магнитов в своей конструкции. 

Более подробно о его особенностях можно почитать, например, здесь или здесь.

Ну и, напоследок, есть ведь ещё и «соленоидный двигатель», где соленоид выступает в роли цилиндра и поршня, наподобие как у ДВС. У него, кстати, тоже существовали исторические прототипы:

Если интересно, ещё больше фото двигателей Фромана можно найти здесь.

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.